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新型成像法可目擊神經(jīng)元工作過程

2019.10.21

麻省理工學(xué)院的一項(xiàng)新研究只需用簡單的光學(xué)顯微鏡，即可一次性目擊老鼠腦部多個(gè)神經(jīng)元的工作情況，研究它們與特定行為之間的聯(lián)系。這項(xiàng)成果對研究生物體大腦活動(dòng)、行為控制，以及神經(jīng)系統(tǒng)疾病起到重要作用。

上面一行的圖像顯示加入熒光后的神經(jīng)細(xì)胞，但同時(shí)其附近的軸突和樹狀枝叉結(jié)構(gòu)也被點(diǎn)亮。在下面一行的圖像中，研究者加入了一種肽，起到把熒光分子引導(dǎo)至神經(jīng)元細(xì)胞體的表膜上，使得成像效果更好。

傳統(tǒng)電壓感應(yīng)法

以前，科學(xué)家通常是通過向大腦插入電極、測量電流的方法觀察腦部活動(dòng)。這種方法工作量大，而且一次只能監(jiān)測一個(gè)神經(jīng)元。之后改善使用多電極陣列，但是又不能對指定區(qū)域抽樣足夠數(shù)量的神經(jīng)元。還有的方法使用鈣成像方式，可以實(shí)現(xiàn)局部密集抽樣，可是由于測量的是鈣元素，這是間接且緩慢的監(jiān)測神經(jīng)電波活動(dòng)的方法。

基因編輯嵌入熒光分子

MIT的研究組在2018年的一項(xiàng)研究中，發(fā)明了熒光探測法：將一種名為Archon1的分子通過基因編輯的方式嵌入神經(jīng)元的細(xì)胞膜。當(dāng)神經(jīng)元電流活動(dòng)增強(qiáng)的時(shí)候，這些分子亮度增加，于是這些神經(jīng)元猶如被“點(diǎn)亮”，研究人員通過簡單的光學(xué)顯微鏡就能看到它們。

2018年的研究觀察的是老鼠大腦的切片樣本;在今年的新研究中，該研究組直接觀測活體老鼠大腦的神經(jīng)元工作情況。

加入肽更好地定向熒光分子

研究者還發(fā)現(xiàn)，去年的研究加入的分子散布在整個(gè)細(xì)胞膜的表面，使得神經(jīng)元附近的軸突和樹狀枝叉結(jié)構(gòu)也被點(diǎn)亮，導(dǎo)致成像比較模糊。新研究中，他們加入了一種肽，起到把熒光分子引導(dǎo)至神經(jīng)元細(xì)胞體的表膜上。他們把改進(jìn)版的蛋白分子稱為SomArchon。

主要研究者M(jìn)IT的神經(jīng)學(xué)教授博伊登(Edward Boyden)說:“有了SomArchon，你能看到每個(gè)細(xì)胞就像一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，而不是看到一個(gè)細(xì)胞和周圍的結(jié)構(gòu)都模糊在一起的情形。”

研究人員用這種新方法監(jiān)測老鼠在玩滾球的時(shí)候大腦神經(jīng)元的活動(dòng)情況，能夠同時(shí)監(jiān)測與此行為相關(guān)的多個(gè)神經(jīng)元，看到在老鼠跑動(dòng)的時(shí)候，一些神經(jīng)元變亮，一些變暗，另一些沒有變化。

另一位研究者說：“在多年的研究中，我的實(shí)驗(yàn)室嘗試了多種電壓感應(yīng)器的方法，沒有一個(gè)能像這個(gè)方法一樣觀測到活體的哺乳動(dòng)物大腦的情況。”

沒有參與這份研究的同行、哈佛大學(xué)的生物學(xué)、物理學(xué)教授科恩(Adam Cohen)說：“以前，研究人員一次只能記錄一兩個(gè)細(xì)胞的情況，博伊登的團(tuán)隊(duì)可以同時(shí)記錄10個(gè)細(xì)胞。這樣的技術(shù)為神經(jīng)元活動(dòng)統(tǒng)計(jì)學(xué)研究打開了新的大門。但是，老鼠的大腦約有7500萬個(gè)神經(jīng)元，因此我們還差得很遠(yuǎn)。”

與其它技術(shù)的結(jié)合

此外，這項(xiàng)研究還把這一技術(shù)和光遺傳學(xué)(optogenetics)、擴(kuò)展顯微鏡分別結(jié)合，創(chuàng)造了更多樣的觀測效果。

光遺傳學(xué)是通過編輯基因表達(dá)光敏感度的技術(shù)，與之結(jié)合，研究人員能用光線激活特定神經(jīng)元，觀察其電流變化。

擴(kuò)展顯微鏡技術(shù)是在成像之前，將大腦組織擴(kuò)大，這樣在高分辨率下，更容易看到神經(jīng)元之間的聯(lián)系。

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